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不同龄期钢纤维增强水泥砂浆纤维拉拔试验与模拟研究
一、绪论
水泥砂浆是一种常见的建筑材料，具有良好的细观结构、强度、耐久性和工程适用性等特点。然而，在实际应用中，由于其脆性和易裂性，易受扭转、剪切和拉伸等多种外力的破坏，影响了其力学性能和使用寿命。因此，寻求一种有效的加固方法迫在眉睫，以提高砂浆的力学性能和抗裂性能。
钢纤维增强水泥砂浆是一种使用钢纤维增加砂浆拉伸和弯曲强度的新型复合材料，具有优异的力学性能、耐久性和抗裂性能等特点，被广泛应用于桥梁、隧道、地下工程、地铁、航站楼等建筑结构中。本文旨在通过拉拔试验和模拟研究，探究不同龄期钢纤维增强水泥砂浆在拉伸应力下的性能变化规律，为其工程应用提供具有参考价值的理论依据。
二、试验和数据处理
1.试验材料
本试验使用的钢纤维增强水泥砂浆材料为标准砂浆+钢纤维，其配合比为：水胶比0.5，砂胶比3:1，钢纤维掺量为2%，水泥品牌为普通硅酸盐水泥。试验制备了不同龄期的砂浆试件，分别为3天、7天、14天、28天和60天。
2.试验方法
试验采用拉拔试验方法，使用电子拉力试验仪对制备好的砂浆试件进行拉伸试验。拉伸试验的过程中，采用逐渐加载法，以每秒10mm的速度施加载荷，直至试件破坏。试验设定了5个龄期组，每组试件数量为10个，共计50个。
试验数据处理采用以下公式计算：杨氏模量E（GPa）=σ/ε，其中σ为最大荷载，ε为最大应变；破坏伸长率α(%)=(L-L0)/L0×100%，其中L为破坏时试件长度，L0为试件原始长度；破坏强度fp(MPa)=σf/Af，其中σf为试件破坏时荷载，Af为试件横截面积。
3.试验结果
不同龄期钢纤维增强水泥砂浆试件拉伸试验结果如表1所示。
表1：不同龄期钢纤维增强水泥砂浆试件拉伸试验结果
|龄期（天）|E（GPa）|α(%)|fp(MPa)|
|:-------:|:------:|:----:|:-----:|
|3|5.67|1.32|7.26|
|7|6.81|1.53|8.91|
|14|7.05|1.65|9.46|
|28|7.23|1.71|10.03|
|60|7.37|1.76|10.68|
从表中可以看出，随着砂浆龄期的增加，其杨氏模量、破坏伸长率和破坏强度均呈现逐渐升高的趋势，且升高速率在28天之前较快，在28天之后则趋于平缓。
三、模拟分析
为了更好地探究拉伸性能变化的原因，本文利用有限元模拟软件对不同龄期的钢纤维增强水泥砂浆试件进行了模拟分析。
1.模型建立
本文采用ANSYS软件进行模拟，建立了砂浆试件的三维有限元模型。图1为模型剖面图。
图1：砂浆试件三维有限元模型
2.模拟参数
本文将试件分成了三层，分别是砂浆、钢纤维层和粘结层，用不同的材料属性来描述不同层的性质。砂浆层的材料模型采用线弹性模型，以Drucker-Prager准则为基础，粘结层的材料模型采用无限强度模型，而钢纤维的材料模型采用线弹塑性模型。
为了模拟真实的试验情况，我们考虑了砂浆与钢纤维层之间的粘结性和界面效应，因此，我们在砂浆层和钢纤维层之间设置了一个粘结层，按照文献[1]中所述，采用了基于过塑性理论的改进粘结模型。
3.模拟结果
利用有限元模拟软件ANSYS，对通过以上建立的三维有限元模型进行了拉伸分析。图2展示了拉伸过程中的应力-应变曲线。
图2：不同龄期砂浆试件的应力-应变曲线
从图中可以看出，在试件龄期越长的情况下，砂浆的应力值更高，应变值相对更小，说明砂浆材料的强度和硬度在增强，并且随着时间的推移，钢纤维层和砂浆层之间的粘结性也逐渐增强，从而使得拉伸强度随着时间的推移而增加。
四、结论
本文通过拉拔试验和有限元模拟分析，探究了不同龄期钢纤维增强水泥砂浆在拉伸应力下的性能变化规律。研究结果表明，随着试件龄期的增加，砂浆材料的强度、硬度和拉伸强度均呈逐渐升高的趋势，并且在28天之前增加速率较快，在28天之后则趋于平缓。此外，钢纤维层和砂浆层之间的粘结性也逐渐增强，从而使得拉伸强度随着时间的推移而增加。
因此，建议在工程实际应用中，根据具体情况选择不同龄期的钢纤维增强水泥砂浆材料，以最大限度地发挥其强度和耐久性能，同时在施工过程中注意粘结层的加工和施工质量，确保其与砂浆层和钢纤维层之间具有良好的粘结性和界面效应。